基于ANSYS Workbench的變壓器鐵芯—繞組振動(dòng)仿真*

姚 敏， 趙振剛， 高麗慧， 郭麗君， 李英娜， 李 川

(昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引 言

隨著電力系統(tǒng)容量的增大，電力變壓器的可靠運(yùn)行與電力系統(tǒng)的安全密切相關(guān)[1～5]。電力變壓器鐵芯—繞組故障已經(jīng)成為導(dǎo)致變壓器損壞的最主要原因，因此，需要對(duì)變壓器鐵芯—繞組進(jìn)行仿真分析，選擇振動(dòng)最強(qiáng)點(diǎn)作為測(cè)點(diǎn)對(duì)變壓器工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)排除故障，使變壓器可以安全穩(wěn)定工作[6～8]。

本文分析了變壓器鐵芯—繞組的結(jié)構(gòu)，利用有限元分析軟件ANSYS Workbench建立了變壓器鐵芯—繞組模型，從夾緊和松動(dòng)2種狀態(tài)對(duì)鐵芯—繞組的模態(tài)特征進(jìn)行了仿真分析，找出變壓器鐵芯—繞組振動(dòng)最強(qiáng)幅值的分布位置，為變壓器振動(dòng)情況的最優(yōu)測(cè)點(diǎn)位置選擇提供了理論依據(jù)；對(duì)比夾緊狀態(tài)下鐵芯—繞組振動(dòng)的幅頻特征，得到鐵芯—繞組在夾緊狀態(tài)下振動(dòng)的基準(zhǔn)幅值，為變壓器振動(dòng)情況的閾值設(shè)定提供了理論依據(jù)。

1 35 kV油浸式變壓器結(jié)構(gòu)模型

選擇云南通變電器有限公司制造的S13—12500/35型油浸式無(wú)勵(lì)磁調(diào)壓電力變壓器，鐵芯具有穩(wěn)定性好，噪音低，抗短路能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，繞組導(dǎo)電性能好，負(fù)載損耗低，適用于高海拔地區(qū)。

仿真分析時(shí)：1)忽略變壓器油，認(rèn)為其對(duì)結(jié)構(gòu)件間力無(wú)影響；2)認(rèn)為變壓器結(jié)構(gòu)件之間的連接無(wú)間隙，完全貼合；3)變壓器繞組內(nèi)壁被繞組套筒完全固定在鐵芯結(jié)構(gòu)件上。為了方便后續(xù)分析中進(jìn)行模型剖分，避免圓弧處剖分密度過(guò)大，將圓柱體結(jié)構(gòu)的鐵芯和繞組，近似繪制成多邊形結(jié)構(gòu)，選擇前后左右均對(duì)稱(chēng)的12邊形作為繞組和鐵芯的剖切面。同時(shí)，盡量避免切邊倒角的圓弧倒角。利用ANSYS Workbench完成變壓器結(jié)構(gòu)建模，鐵芯—繞組—結(jié)構(gòu)件的有限元結(jié)構(gòu)模型如圖1。

圖1 鐵芯—繞組—結(jié)構(gòu)件模型

2 35 kV油浸式變壓器磁力分析

實(shí)際中，變壓器的鐵芯和繞組受到電磁力的作用。求解鐵芯—繞組系統(tǒng)的電磁力時(shí)，利用電磁力分析軟件ANSOFT Maxwell對(duì)鐵芯—繞組的有限元模型進(jìn)行了離散步電磁力載荷的加載。其中，仿真停止時(shí)間選取0.02 s，仿真步長(zhǎng)選取0.000 1 s，得到變壓器電磁力云圖,如圖2。

圖2 電磁力云圖

將分析得到的電磁力數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ANSYS Workbench中得到鐵芯—繞組系統(tǒng)的電磁力分布如圖3表明:變壓器鐵芯繞組上方的電磁力密度較大，鐵芯—繞組中電磁力最大值達(dá)2.445 8×105N/m3。

圖3 電磁力分布

3 35 kV油浸式變壓器鐵芯—繞組振動(dòng)模態(tài)分析

通過(guò)對(duì)變壓器的振動(dòng)仿真分析可以為變壓器的設(shè)計(jì)及故障診斷提供理論依據(jù)，變壓器的振動(dòng)是各階模態(tài)振型的復(fù)合，且隨著階次的遞增，固有頻率呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)。而載荷的固有頻率較低，只需要分析與載荷頻率接近的模態(tài)特征，因此，本文只研究鐵芯—繞組前三階的模態(tài)特征。

將上述電磁力數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS中，變壓器中通入50 Hz正弦交流電，設(shè)置鐵芯—繞組處于夾緊狀態(tài)下的預(yù)緊力為26 MPa，其前三階模態(tài)特征仿真如圖4所示。設(shè)置鐵芯—繞組處于松動(dòng)狀態(tài)下的預(yù)緊力為9 MPa，其前三階模態(tài)特征仿真如圖5所示。

圖4 夾緊狀態(tài)下鐵芯—繞組的前三階模態(tài)特征仿真

圖5 松動(dòng)狀態(tài)下鐵芯—繞組的前三階模態(tài)特征仿真

對(duì)比分析圖4、圖5中相應(yīng)模態(tài)的振型特征，得到壓緊和松動(dòng)狀態(tài)下鐵芯—繞組各階振型特征如表1。

表1 壓緊和松動(dòng)狀態(tài)下鐵芯—繞組各階振型特征

通過(guò)表1可知：鐵芯繞組振動(dòng)最強(qiáng)的位置主要分布在上夾件的中部和下表面左右兩側(cè)的4個(gè)端角、上鐵軛的中部、三相繞組的上部。該振動(dòng)強(qiáng)弱分布特征可以為變壓器振動(dòng)情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)選擇最優(yōu)測(cè)點(diǎn)位置提供理論依據(jù)。

4 35 kV油浸式變壓器鐵芯—繞組振動(dòng)幅頻響應(yīng)分析

由變壓器出廠參數(shù)知，該鐵芯—繞組的正常預(yù)緊力范圍在10～36 MPa。利用ANSYS分析其處于正常預(yù)緊力狀態(tài)下的振動(dòng)幅頻響應(yīng)情況。圖6為鐵芯—繞組在30，22 MPa的預(yù)緊力作用下的幅頻響應(yīng)情況。

圖6 2種不同預(yù)緊力下的振動(dòng)

根據(jù)圖6幅頻響應(yīng)特征對(duì)比，該鐵芯—繞組在正常預(yù)緊力下的主要響應(yīng)頻帶在300 Hz以上，振幅頻譜能量主要集中在100，300～350 Hz 附近。主要響應(yīng)頻帶隨著預(yù)緊力的減小，鐵芯—繞組系統(tǒng)振動(dòng)最大峰值呈現(xiàn)變小趨勢(shì)，雖然在正常預(yù)緊力范圍內(nèi)，主要振動(dòng)頻率處的幅值存在波動(dòng)，但波動(dòng)較小，大約為0.003×10-7m。變壓器出廠時(shí)，其結(jié)構(gòu)的預(yù)緊力固定，正常運(yùn)行情況下，其振動(dòng)幅值為特定值，因此，可以將該情況下的振動(dòng)幅值作為基準(zhǔn)幅值，當(dāng)變壓器結(jié)構(gòu)發(fā)生松動(dòng)時(shí)，觀察其振動(dòng)幅值與基準(zhǔn)幅值的差異度，從而判斷預(yù)緊力是否發(fā)生變化。

5 結(jié) 論

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變壓器的工作狀態(tài)，及時(shí)排查故障問(wèn)題，針對(duì)變壓器鐵芯—繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，獲得其最強(qiáng)振動(dòng)點(diǎn)分布情況，以選擇最優(yōu)點(diǎn)對(duì)變壓器進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)變壓器鐵芯—繞組模型，在夾緊和松動(dòng)2種狀態(tài)下對(duì)鐵芯—繞組的模態(tài)特征進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果表明：鐵芯—繞組振動(dòng)最強(qiáng)的位置主要分布在上夾件的中部和下表面左右兩側(cè)的4個(gè)端角、上鐵軛的中部、三相繞組的上部，可作為最佳測(cè)點(diǎn)；正常預(yù)緊力下的主要響應(yīng)頻帶在 300 Hz以上，振幅頻譜能量主要集中在100，300～350 Hz 附近，由此可確定閾值范圍。

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